基于多旋翼大疆無人機的土地利用正射遙感影像的快速獲取方法研究

楊存建　李何超　李曉　向筱

摘要針對常規(guī)無人機航拍系統(tǒng)價格高、操作復(fù)雜、靈活性差等特點，對基于多旋翼DJ無人機的土地利用正射遙感影像的快速低成本獲取方法進行了研究，主要包括：無人機遙感影像的獲取、魚眼影像的鏡頭校正、影像匹配、影像拼接、精度評價、影像質(zhì)量分析、效率分析。通過該研究，得到了利用多旋翼DJ無人機快速獲取土地利用正射遙感影像的技術(shù)方法。利用該技術(shù)方法，在成都市新都區(qū)清流鎮(zhèn)，獲取到覆蓋地面646 063 m2的正射遙感影像，其影像分辨率在10 cm以內(nèi)，相鄰影像接邊最大誤差在0.60 m內(nèi)，線誤差和面誤差均在1%以內(nèi)。該影像質(zhì)量好，且土地利用信息清楚而精細，農(nóng)作物的類型和長勢也可識別。該技術(shù)方法具有成本低、效率高、易學(xué)易用、靈活方便的優(yōu)點，在平原和壩區(qū)具有極大的推廣應(yīng)用價值，適合點多、分散、面積小的壩區(qū)。

關(guān)鍵詞無人機； 遙感；平原；正射影像

中圖分類號S127文獻標識碼A文章編號0517-6611（2017）33-0060-03

Study on Rapidly Obtaining Landuse Remote Sensing Image Using Dajiang Unmanned Aircraft

YANG Cunjian1， LI Hechao2， LI Xiao1 et al

（1.Research Center of Remote Sensing and GIS Application， Key Laboratory of Land Resources Evaluation and Monitoring in Southwest， Ministry of Education， Sichuan Normal University， Chengdu， Sichuan 610068；2.Sichuan Center of Land Levy and Land Consolidation， Chengdu， Sichuan 610000）

AbstractIn order to avoid the disadvantage of high cost，complex operation and inconvenience of general unmanned air craft， and the technology of rapidly obtaining orthophoto for landuse by using DJ unmanned aircraft at a cheap cost was discussed. It included several steps： obtaining the unmanned aircraft images， processing the images with camera lens model， matching the images with geocoded high resolution images， mosaicing the images， evaluating accuracy and quality of the mosaic images， analyzing the efficiency of obtaining the mosaic images. The technology was developed here， which was used to rapidly obtaining orthophoto for landuse based on DJ unmanned aircraft. The orthophoto covering the ground area of 646 063 m2 was obtained by the technology in Qinliu town of Xindu district of Chengdu city. The resolution of the orthophoto was above 10 cm. The error of mosaic was less than 0.60 m and the error of line length and area were both less than 1%. The quality of the orthophoto is fine， and the detail of landuse and farm vegetation can be identified in the orthophoto. The technology has the advantages of low cost，high efficiency，easy to learn，easy to use，flexible and application value in plain and dam area.It is suitable for the dam area with many points，scattered and small area.

Key wordsUnmanned aircraft；Remote sensing；Plain；Orthophoto

近年來，無人機遙感技術(shù)快速發(fā)展，為快速獲取地表精細信息提供了先進的技術(shù)手段。無人機技術(shù)已廣泛應(yīng)用于土地利用規(guī)劃[1]、土地整治[2-3]、農(nóng)村土地承包登記[4]、 礦山地質(zhì)災(zāi)害精細探測[5]、土地整理施工監(jiān)控[6]、山洪災(zāi)害調(diào)查評價[7]。常規(guī)無人機航拍影像精度高，其分辨率可達5～40 cm，成圖比例尺一般在1∶500～1∶5 000。拍攝成本合計約1 000 元/km2。但是，常用的航拍無人機系統(tǒng)價格較貴，一般在幾十萬元至幾百萬元。長航時寬鏡頭無人機航拍系統(tǒng)的價格可達千萬元[8]。常規(guī)無人機航拍系統(tǒng)操作復(fù)雜，需要培養(yǎng)專人操作，其培養(yǎng)成本高。常規(guī)無人機航拍系統(tǒng)，由于其飛行高度一般在200 m以上的高空，需要申請飛行許可，其手續(xù)復(fù)雜，且耗時。因此，探索一套簡單易行、操作方便、價格便宜的無人機航拍系統(tǒng)，并用其來獲取小范圍的土地利用和農(nóng)作物的正射遙感影像，為土地利用和農(nóng)作物的監(jiān)測服務(wù)是一個值得探索的問題。

常規(guī)無人機航拍系統(tǒng)所獲取的航拍影像具有分辨率高、數(shù)據(jù)量大的特點，一般需要專門的航空攝影測量軟件（如PixelGrid 軟件和MAP-AT軟件）才能制作正射影像圖，且需要POS數(shù)據(jù)、像控參數(shù)和大量地面控制點[9]。其POS數(shù)據(jù)的獲取需要高精度的GPS。大疆無人機航拍系統(tǒng)的價格在1萬元以下，由于其負荷小，所使用的相機為魚眼相機，且無高精度的GPS所獲得的影像無POS數(shù)據(jù)。在此情況下，如何對其影像進行處理，以獲得土地利用正射影像，這又是一個亟需解決的問題。隨著第二次全國土地調(diào)查、地理國情監(jiān)測和森林資源調(diào)查等工作的開展，已積累了大量高分辨率遙感數(shù)據(jù)；google earth、天地圖也公開共享了大量的高分遙感數(shù)據(jù)；高分重大專項的實施也獲取了很多國產(chǎn)高分遙感數(shù)據(jù)。為此，筆者利用已具有地理坐標的高分遙感數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，探索利用大疆無人機航拍系統(tǒng)獲取土地利用和農(nóng)作物正射影像的技術(shù)方法，旨在為小范圍土地利用和農(nóng)作物的快速監(jiān)測提供科技支撐。

1材料與方法

1.1試驗區(qū)及數(shù)據(jù)

試驗區(qū)為成都平原的新都區(qū)清流鎮(zhèn)。該區(qū)域地勢平坦，有利于正射影像的獲取。所用無人機航拍系統(tǒng)為大疆小精靈2，其價格在1萬元以下，無高精度GPS，所帶相機為魚眼相機，該相機具有質(zhì)量輕、視場范圍大的優(yōu)點。利用已具地理坐標的高分辨率衛(wèi)星遙感正射影像作為基準影像，其影像分辨率約為0.6 m。

1.2獲取無人機遙感影像

對無人機系統(tǒng)進行充電，確保電量充足。打開無人機，連接通訊系統(tǒng)，對無人機進行校準和調(diào)式。當無人機處于可安全飛行的狀態(tài)時，起飛無人機。將無人機升空至150 m的高度后，開始航拍。對無人機實施水平方向的前進操作，當飛到指定位置時，懸停無人機，進行垂直攝影航拍。按規(guī)劃的航拍線路，通過前、后、左、右水平移動無人機，擴大航拍的面積。該無人機在空時間為25 min。一次起飛，獲得了無人機航拍影像34張。所獲得的影像如圖1所示，該影像為魚眼影像，具有較大的變形，其分辨率中心高，遠離中心，分辨率逐漸降低。

1.3無人機影像的預(yù)處理

由于該無人機負荷小，所搭載的相機為魚眼相機，其分辨率為1 400萬像素，所獲得的影像為魚眼影像。因此，筆者探索出了利用Adobe photoshop CS6軟件中的鏡頭校正模型，并選取DJ的鏡頭配置文件，實現(xiàn)了對該無人機影像的鏡頭校正處理。經(jīng)鏡頭校正后的影像與一般航拍相機拍射的影像比較接近（圖2）。利用以上方法，對所有無人機影像進行了鏡頭校正處理，得到校正后的無人機影像。

1.4無人機影像的幾何校正處理

利用已具地理坐標的高分遙感影像作為基準影像，分別在高分遙感影像和無人機遙感影像上均勻分布選取9個以上的同名地物點作為控制點，一般選取道路、河流的交叉點或拐點、田塊的角點等作為控制點，利用多次多項式校正模型進行幾何校正，采用最近鄰法獲取像元的亮度值。其校正精度一般控制在2個像元內(nèi)。經(jīng)校正處理后，無人機影像的空間分辨率為0.1 m。

1.5無人機影像的拼接

利用常用的遙感圖像處理軟件（如PCI），先創(chuàng)建一個空的區(qū)域影像文件，然后依次將已校正好的無人機影像拼接到該空的影像文件中。最后，形成覆蓋試驗區(qū)的拼接影像。在拼接時，盡量選用影像變形最小的部分，盡量選用顯處進行接邊。拼接后的影像見圖3。

2結(jié)果與分析

2.1精度評價

將拼接影像與已具地理坐標的高分遙感影像進行疊加，從目視來看，地物重疊較好，且接邊效果較好。放大影像，隨機選取接邊處，對接邊處河流或道路的錯動距離進行測量，并將該距離作為接邊誤差（圖4）?？傮w上，其接邊誤差可控制在0.6m以內(nèi)。該誤差還可隨著基準影像分辨率的提高而進一步降低。

在基準影像和拼接影像上隨機選取2個同名地物點對，分別測量2點間的直線距離（圖5a）。以基準影像上的距離為真值，拼接影像上的距離減去真值即為誤差值，差值占真值的百分比即為線誤差。通過測定計算，其線誤差情況見表1。由表1可知，拼接影像的線誤差可控制在1%以內(nèi)。

隨機在基準影像和拼接影像上選取3個明顯的同名地塊，分別測量其面積（圖5b）所示。以基準影像上的面積為真值，拼接影像上的面積減去真值即為誤差值，該誤差值占真值的百分比即為面誤差。通過測量和計算，得到各地塊的面誤差情況（表2）。由表2可知，面積誤差可控制在1%以內(nèi)。

2.2影像質(zhì)量分析

拼接影像分辨率高，質(zhì)量好，土地利用信息豐富（圖3～5）。圖3中，居民地、耕地、道路、溝渠等清楚可見，很容易判讀提?。惶飰K、房屋也清楚可見，也易判讀提取。圖4、5中，田坎、四旁樹以及耕地上的農(nóng)作物清楚可見，很容易判讀提取。這些信息對于監(jiān)測土地利用具有重要價值。

2.3效率分析

該試驗的數(shù)據(jù)獲取時間約60 min。主要包括無人機起飛前準備30 min，飛行航拍25 min，飛后整理5 min。1人負責飛行，另1人負責航拍。數(shù)據(jù)處理需2人天。通過該試驗，拼接影像覆蓋地面的面積為646 063 m2。據(jù)此計算，獲取1 km2的拼接正射影像需要大概4人天。

3結(jié)論

該研究探索了利用大疆無人機航拍系統(tǒng)獲取土地利用正射影像的技術(shù)方法。結(jié)果表明，利用該技術(shù)方法，可以獲得平原區(qū)土地利用正射拼接影像，其影像質(zhì)量好，分辨率在0.1 m以上。各種土地利用類型在該影像上清楚可見，易判讀提??；耕地上的農(nóng)作物、居民地上的房屋清楚可見，易判讀提取；農(nóng)作物的栽種狀況和長勢也清楚可見；地塊、田坎、溝渠清楚可見。該技術(shù)路線特別適用于點多分散面小的平壩小區(qū)域（一般面積在2 km2 內(nèi)）。當使用空間分辨率為0.6 m的遙感影像作為基準影像時，其拼接影像的接邊誤差可控制在0.6 m以內(nèi)，其線誤差和面誤差均可控制在1%以內(nèi)。

安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)2017年

該研究還表明，該技術(shù)方法易學(xué)、易用，具有效率高、成本低、風(fēng)險小的特點。獲取1 km2的拼接正射影像大概需要4人天。該無人機對起飛條件要求不高，有幾平方米的空地就可起落。該無人機飛行的高度在200 m以下，因而可以不受云霧和空管的限制，而具有飛行靈活的優(yōu)點?？傊摷夹g(shù)方法特別適合在平原或壩區(qū)推廣，用于獲取點多、分散、小區(qū)域的拼接遙感影像，這對點多、分散、不成片的小區(qū)域地利用精細調(diào)查和監(jiān)管具有重要意義。

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